低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究.PDF

低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究 刘洪 林 王红岩 李景明 李贵中 王 勃 杨 泳 刘 萍 中 国石油勘 探开发科学研究院廊坊分院 河北廊坊 065 x 7 摘要在美国粉河、澳大利亚的苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前，大家一直认为具 有商 业价值的谋层气资 源主要存在于中 煤阶的谋层中， 煤阶太低， 一般含气 1不高，不具有勘探价值。 但是近几年来的发现证实，低煤阶 盆地煤层厚度大， 渗进率高，资源丰度大.含气饱和度高，同样可获 得了 商业性的气流， 而且 从英气 体的成因 来看， 其中 有很大一 部分 是生物成因的煤层气。本丈利用煤层 气成藏模拟装五时低嫌阶含煤盆地的煤岩样品开展了成藏模拟，从实验角度证明了中国西北地区虽然煤 层嫌阶枚低， 热成因 气较少， 但是却存在着具有商 业价值的 二次生物成因的甲沈气，再加上含煤层系 众 多.谋层厚度大，资源丰度极高，仍具有巨大的勘探潜力。 关健词煤层气水动力成藏 S im u l8t io nE x P e r im e n t ofB io g e n ic G a s inL o wR a n k Co a l o f Ch i n a L iu H o n g li n ， W的gH on卿a n ， UJ in g m i n g L I G u iz h o n g ， W a n gB o ， 粕n g y o n g ， L i u P j n g 比n g f a n gB ra n c h o f P e t ro C h i n aR e s e a ro hln s t it u t e ofP et ro le u m E x P lo ration 场山司， n alnicc ondi ti on; 司 川ion 月 U舀 进人20世纪90年代， 随着煤层气产业的 迅猛发展， 美国 煤层 气的资 源开发活动不再 局限于中 煤阶煤储层发育的圣 胡安和黑勇士盆地， 资源评价和研究工作覆盖了18个主要 含煤盆地或含 煤区， 在其中JZ个含煤盆地从事煤层气开发活动， 煤储层的 煤阶从中煤阶 扩展到低煤阶和高煤阶，特别是发育低煤阶煤储层的含煤盆地因煤层气资源量较大而受到 重视， 发育低煤阶煤储层的含煤盆地6 个， 煤层气资源量10 x lo睑 时， 占总资源量的 53， 以粉 河盆地为 代表的 低煤阶 含煤盆地煤层气商业开发的成功， 大大拓展了 煤层气勘 探开发的视野和领 域。 粉河盆地位于蒙大 拿州 东南部 和怀俄明州东 北部，面积2 5s ook 矿， 为一大型沉积盆地，形 成于 腊腊米运动造山期， 盆地中 含有巨厚的晚白噩世 煤层， 单层厚 度达67m ， 煤层总厚1 18m 。 盆地为一不对称向 斜， 轴部靠近西部边缘， 西部边缘以逆断 层为界， 靠近Bi 吕 1 1 。 ，隆 起。 西部地层倾角5 。 一 2 50， 东部为翘起端，倾角不超过20。上 白 噩统沿东 南部和 东部分布， 古新统FortU ni on组沿盆地 边缘分布， 盆地晚三叠系低界深 1 肠7 m ，粉 河盆 地煤炭资源量1 . 3 xlo IZ t ， 镜 质体反射率为0 . 3 一 。 . 4 ，与西北一些低 煤阶盆地相 似， 煤化程度低， 含气量为0 . 03一 31 时/t， 但由于煤层厚度巨大， 资源丰度 大，预测 煤层气资源量 0 . 5 一 0 . s x 1 01 2 扩。粉河盆地煤层气碳同位素介于一 65骗- 一 69输之间， 具有明 显的 生物成因 特征， 并且在其构造的高部位， 生物气经过二次运移而 富 集， 形成较高的含气量和较高的饱和度，有较高的渗透率，含气饱和度为80 - 1 00， 钻井深度一 般不超过3 05m， 产气量为1 10、 5 9 76矿/d， 产水量为45一 69矿/d， 最 好的产气远 景区是 砂岩体附近与差异压 实作用有关的 构造高点、紧闭 褶皱形成的 构造高点 以 及煤层 上倾尖灭的 部位， 并在该部位伴生有为非渗透性页 岩所圈闭 的游离气。 中 国 低 煤阶 煤 储 层 非 常 发 育。 全国 垂 深2 O x 〕 m 以 浅 的 煤 炭 资 源 量 为55 6 9 7 、 1 O . t ， 低 煤阶煤储层占到煤储层的一半以上。低煤阶煤储层形成于早中侏罗世、早白噩世、第三纪 等成煤期， 其中 早中 侏罗世、 早白 圣世是中国 重要的 成煤 期， 早中 侏罗世成煤作用主 要发 生 在西 北 地 区 ， 煤 炭 资 源 量占 全国 的35 . 5 [ ’ 1 ， 新 疆准 噶 尔、 吐 哈 、 塔 里 木 盆地 、 伊犁 和焉眷 是低 煤阶 煤储层发育的典型的 大型内 陆盆地， 煤层 厚度大， 煤层最大累厚近2 伪rn’ 最大单层 煤厚逾l oom ， 煤层层数 超过50层[2]。中国 西北地区低 煤阶 煤储层煤层气资源量 丰富， 早 中 侏罗 世 煤 储 层 煤 层 气资 源 量 超 过10 x 1 01 2 矿 L ， 一 4 〕 。 随 着 美国 低 煤阶 煤 层 气 藏 商 业开发的 成功、国内 煤层气勘探开发工作的 推进， 在近期 低煤阶 煤层气藏受到了 越来越多 的 关注， 有 望 成为 新的 研 究 热点 和 煤 层气 勘 探开 发 新 领 域 [5. . 〕 。 但 是中 国 西 北 地区 与 美 国的粉河盆地、 尤因 塔盆地和 澳大利亚的 苏拉特 盆地 相比， 在 进人第四 纪以 来气候虽然总 体较为干旱， 但是部分地区由于 受到天山 影响， 水动 力仍非常活 跃， 具备二次生物气生成 的可能.如位于天山北坡的准南地区、焉普地区和伊犁地区。 1 研究区的 煤层气地质概况 本次工作研究， 重点 对水动力较为活跃的伊犁和焉香 进行了采样， 研究较强 水动力条 件下煤层次生生物气的生成问题。 1 9 8 低媒阶煤层气的成藏模 拟实验研究 1 . 1 伊宁地区 伊宁含气区块位于新疆维吾尔自治区西部伊犁自治州境内，区内为低山一丘陵及伊犁 河畔冲 积平原， 含气区内 地势西高东低， 北高 南低， 属典型 大陆 性气候，盆 地内先后由煤 炭、 石油、 地矿部门进行过石 油勘探及物探， 煤炭部门 在盆地边缘及局部进行过煤田勘 探。 特别是近几年来， 随着油气勘探工作的进 展， 在盆地内，已进行了部 分钻探实物工作 量。该区含煤地层为侏罗系中统西山窑组，下统三工河组和八道湾组，主要为一套河湖相 的灰、灰白色含砾砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。伊宁含气区块侏罗系下统八道湾 组和中 统西山 窑组成煤环境优越， 聚煤时间长， 形成的 煤层较稳定， 厚度大， 层数多， 为 煤 层气的 形成奠定了物质基础。西山窑组主要 为一套浅灰色 含砾粗砂岩， 灰白色中、 细粒 砂岩， 深灰色泥岩、 砂质泥岩夹煤层， 在区内 北部地层厚度一般2 1 1 一 5 52m ， 含煤 ro- 巧层， 煤层单层厚度相对较 小， 层数较多， 反映成煤环境震荡性较强。 南部一般厚度为 10 2 1 3 2 m ， 含煤4 一 6 层。 单层厚度相对较大， 层数相对较少， 反映成煤环境较稳定。 八道 湾组主要为一套灰白 色含砾粗砂岩，中 、细粒砂岩，深灰色泥岩， 砂质泥岩夹煤层。 在区内北部厚度一般在 3 42 一 452 m;南部厚度在60 一1 50m 。在北部含可采煤层 10 层，厚 度1 5 ， 68m ，据 伊参1 井资料， 可采煤层厚度为88m 。 在南部煤层厚度相对较小。煤 质分 析资 料表明， 该区侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组煤层，原煤灰分含量在 9 ， 71一 25， 60， 一般含量在12 一 18， 其变化特征属中 一低灰、 低硫一特低硫、低 磷 煤， 是有利于形成煤层气的煤质类型。 伊宁 含气区 块侏罗系中、 下统沉积之后， 受燕山 构造运 动的影响， 褶皱、断裂使含煤 地 层遭受不同 程度的改造。 现构造形态主要表现为不对称的复式向斜， 呈近东西向展布。 含煤地层倾角一般在20“ 一 3 00之间，其中北部相对较陡，南部较缓。断层多发育在褶皱 轴 部，以 逆断层为主， 断层线呈 北西西向展布。 从构造展布特征分析， 构造相对较简单， 有 利于 煤层气的 勘探开发。 八道湾组和西山窑组煤层组埋藏深度0 一 2 侧 X }m ，分布面 积约 3 4 4 5 玩2 ，占 含煤地层分布面积的82。 从构造赋存地质条件分析，构造较简单， 有利于 煤 层气的 勘探开发。该区 侏罗系中、下统煤层煤级为长焰煤，煤层气地质资源丰度为 1 28xlo ， 扩/k衬， 资源丰度 较高， 有着较好的勘探开发前景。 1 . 2 焉省地区 焉香含气区 带侏罗系中、 下 统是主要的 含煤岩系。 侏罗系中、 下统是 在盆地经历了印 支 末期构造运动， 三叠系遭受不同程 度抬升 剥蚀后， 盆地又逐渐下降，接 受该套内陆 含煤 碎屑 建造。 八道湾组沉积时， 盆 地受 南缘库克塔格山 和北缘南天山 差异抬 升隆起作用， 呈 现为 南低北高的 古地貌。由于古气候温暖潮湿， 有利于植物的生长， 植被茂盛，森林密 布。形成大面积泥炭沼泽，为形成厚煤层奠定了物质基础。据本区哈满沟、塔什店矿区资 料 ， 本 组 煤 层 称A 组， 含 煤3 一 14层， 累 计 厚 度10， 30 m ， 一般 厚 度10 15 m 。 盆 地内 石 油钻 井钻遇本组煤层厚度一般50一 叨m ， 最厚可大于60m 。煤 层空间展布特征为东部厚度 相对 较薄， 一般厚度10 15 m ， 而西部较厚， 在四十里城一带最厚可大于60m 。 西山 窑组沉积时， 气候温暖潮湿，地势相 对平坦， 形成大面积泥炭沼 泽， 有利于 成煤 ， 物质的生长，为形成厚煤层奠定了物质基础。据盆地内煤田及石油钻井资料统计，本组含 煤5 一 10层， 可采煤层厚度10一 4Dm之间， 一般厚度1 0 som之间。焉奢含气区带侏罗 系下统八道湾组和中统西山 窑组成煤环境优越， 聚煤时间长， 形成的煤层较稳定， 厚度 .1 9 9 中国煤层气勘探开发利用技术进展 大， 层数多， 为煤层气的 形成奠定了物质 基础。 其中 侏罗系下统八道湾组煤层厚度 大， 稳 定性强， 煤层气勘探开发潜 力较好， 是 煤层气勘探开发选区评价的 主要目 的层。 本区内目 前煤矿开 采以 西山窑组煤层为主， 煤质分析资料较少。据塔什店矿区 分析资 料统计， 煤层分析基水分含量平均在4 . 34 一 4 . 59，分析基灰分含量在2 . 36 - 6 . 79， 挥发分产率在42. 33 一 49. 29， 硫分含量在。 . 39一 0 . 73。 煤层水分含量 中 等， 灰分、 硫分含量较 低，属特低一 低灰、 特低一低硫煤， 是有利于形成煤层气的 煤质 类型。 焉奢 含气区带大地构 造位于库鲁克 褶皱带和天山 褶皱系南天山 褶皱带之上， 是 受海西 期一印 支期构造作用的影响在 夷平面的 基础上形成的中 生代含煤盆地。中生 界沉积 之后， 经历了 燕山 和喜山 多次构 造运动的影响， 改造后的 侏罗系中、下统含煤地层形成了 复杂多 样的 构造面 貌。 本区中生代以来构造演化大致经历了燕山 、喜山二期， 使盆地内侏罗系 中、 下统含煤地层遭受强 烈抬升剥蚀， 煤层压力降低， 吸附在煤层中的气体解吸 扩散， 含 气量降 低。 埋藏深度6 00 一 2 0 以 〕 m区， 累计分布面积约9 3 0k甘，占 含煤地层分布面积的 39。 主要分布在西部塔什店矿区，中 东部盐家窝及库木布 拉克等地， 是煤 层气勘探开发 深度较理想的区域。 据钻井及矿井煤层采样分析资料及 埋藏深度资料综合分析， 焉普含气区 带侏罗系中、 下统煤层埋藏深度2 仪 刃m以浅区煤级以气煤为主。焉着含气区带侏罗系中、下统以往煤 田 地质勘探程度相对较低， 有关煤层含 气量资料也较少， 矿 井开采深度较浅 一般在1 00 一 3 00m之间 ， 相对瓦斯含量也较低。 2 煤层气成藏模拟实验装置和原理 煤层气成藏模拟装置的 特点是模拟 地层温度、 压力、 地层流体介质下煤 层气富 集成藏 过程， 它可以通过模拟不同 物性组合、 不同 介质、 不同充注 压力、 不同运移 方式煤层气成 藏过程， 获取不同 模拟条件下的物理和化学参数， 确定煤层气不同 运移条件下的 边界条 件。设备主要由 气体增压泵、 恒温箱、 仪表控制面板和计算机采集一 处理系 统。 其中 控制 面板包括压力控制子面板、温度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按钮、流程 图; 恒温箱内放有多功能模型 仓 1 、多 功能模型仓11 和参考缸; 计算机采集系 统包括一套 数据采集模块和数据处理软件。图1 是装置原理流程， 装置考虑采用不同 岩心、不同岩 性、不同气体介质进行工作，同时进行精确计量。把设计制作后的岩心组合装进多功能模 型仓， 利用气体增压泵维 持环 压， 利用 平流泵提供不同的流体介质、不同充注压 力， 通过 温度和压力仪表以及传感器采集温度和压力数据，并经过数据处理软件分析温度压力 数据。 在 自然界中，已知的产 甲烷菌中有一半可利用甲酸盐形成甲烷。甲酸盐首先转化成 C O Z 和H Z ， 然后再通过还原反应生成甲烷。 在自 然界中 能够利用氢还原二氧化 碳及利用醋 酸 盐发酵的 产甲烷菌的存在是生物成因的 煤层气成藏的 必要条件。 与近地表甲烷生 成过程 研究相比， 地下 十几米到几百米深 度甲 烷生成的研 究工 作相对较少。 在地下环 境中， 对于甲烷的产出来说， 沉积物必须具备使产甲烷菌得以 生存及繁殖的孔隙空间。对 此， 低 煤阶煤层中发育的孔隙空间和裂隙系统对甲烷菌的生 成是非常有利的。甲 烷生成菌 不具有 直接分解煤层的能力， 要形成甲 烷须有一个前期阶段， 即 主要依酸发酵菌和还原菌 分解类 2 卯 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究 脂化合物和 大分子 聚合物如纤维素和蛋白质等; 接着微生物进一步脱去长链酸 和乙醇 以 上的醇的氢而生成氢、 甲酸、 乙酸、 二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和营养 而生存。 并以此为 基质进行生物化学和新陈代谢作用产生甲烷。 气 体出 口 1 5压力传感器 2 一涓度传 感鉴 图I FY 一n型煤层气成藏模拟装置流程示意图 3 。 1 生物成因煤层气成藏实验过程 煤矿煤岩样品的产甲烷菌检测实验 为了 研究伊犁盆地和焉曾盆地低煤阶生物 成因 气体， 在盆地中 部分煤矿工作面采集煤 层样品 密封在解吸罐中， 然 后送达实验室， 在无菌 操作条件下， 通过对岩样稀 释并加人培 养基在不同 温度条 件下培养之后， 检测样品中 有无微生物存在， 并检测微生物种类及数 量。经 过实验研究，发现在大多数的煤岩样中均检测到了微生物和产甲烷菌的存在 见表 1 。 表1 伊塑和焉窗部分煤样的细菌检测结果 样 品号样 品位置井 深 m 检 测温 度 ℃ 硫酸 盐还原菌 个/ 克样 品 产甲烷菌 个/ 克样品 发 酵 菌 个 / 克样品 l伊宁南 合子j 、 道湾 组3 02 { 幻1 4 旧5 引旧 2 西 山窑组 303 201 0 以 〕6 1 伪 伊 宁 祭 布查 尔 3 尼勒 克 西 山窑组3 04 5 阅3 创H 】2 4 侧 州 1 】 4 焉奢 哈满沟j 、 道 湾组 3 0 2 4 旧 1 203 5 拭 幻 3.2 甲烷菌煤层产气实验 为了 避免煤层原来吸附的甲 烷气体的 影响， 将上述部分密封岩样进行自 然解吸， 直到 再没有气体解吸出来，然后往样品内注人产甲烷细菌进行产甲烷量实验。甲烷菌种泥培 养、驯化一 接种试验是在农 业部成都沼 气研究所完成的。 实验中 采用制取悬浮 性接种物方 2 01。 中国煤层气勘探开发利用技术进展 法， 弃去了一次富集培养中 非活性有机物的绝大部分， 再经过二次富 集提高 微生物的浓 度 与活性。实验结果表明各种煤岩样品均能产生甲烷气。图2 是各岩样产甲烷量曲线， 在 50 天以 前产甲 烷量是不断增加的， 80 天之后，产甲 烷量呈下降趋势， 总之， 两地的 煤岩 样品都能产生一定量的 生物甲 烷气。 这只是模拟实验的结论，自 然地 质条 件下细菌群落的 生存条件远不如实验室优越， 产甲 烷过程不可能在几十天之内 完成， 而是在一个非常漫长 的地质过程中缓慢进行的，但是低产量长时间的累积效应仍然可以产生巨大的甲烷量。 人 伊宁南台子人 0 尼勒克人人 人UU .女伊宁 察布查 尔飞 O 口 焉晋哈满沟。丫 七月 众. 龙言 口 。 女 粉 肯父 子 111}}1}111 办“弓叶 凡‘.且 ︵凹汀日︶叫礼 1 02D3 0405 0607 0809 01 的1 1 0 时 间 d 图2 伊宁和焉曹地区煤岩样品产甲烷菌实验 3 . 3 生物甲 烷气成藏模拟实 验 把接 种过甲烷菌的煤层样品放人成藏 模拟装置内， 在3 5 ℃的恒 温状态 下， 开始培 养， 观测煤岩样品 生气过程。经过近两 个月的 连续实验得到 一条压力一 时间曲线。 经分 析认为 曲 线存在两个明显的曲线段， 第一阶段为 快速生气阶段， 第二阶段为生气一 吸附平 衡阶段 图3 。 对最 后生成的气体 进行了分析， 其所产气体 成分 主要为C 氏、N Z 和C 仇。除个别 样品 外， 绝大多数样品 所产气中C Z 十 含量很低，甲烷碳同位素值相差较大， 从 一 56知- 一 67知， 表明为生物成因气 体。 _ ‘下 丫 。 醉 护 邢 旧 任 拍 行 尹 洲 目 声 ， 弓nU七刁 之伙 金红︶长田 1 0203 04 05 0的7 0即901 001 1 0 时间 毋 图3 煤样生物成气后吸附过程中的压力一时间变化曲线 2 0 2 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究 4 实验结果及其讨论 1 模拟试验表明，一方面在我国西北地区低煤阶煤层中存在产 甲烷菌，另一方面 证明了低煤阶的煤 层可以 作为 二次生物 气的 来源。根据资 料， 伊犁盆地浅部的 煤矿区在侏 罗系煤层中所 产气的了 3 c 为一 66. 10知一 60 12 骗， 显然 属于生 物甲 烷气。 2 与高煤阶相比， 低煤阶一般埋藏较浅， 孔隙空间较大， 适合产甲烷菌的生存和 繁殖，所以国内外的低煤阶盆地多发现生物成因的煤层气富集成藏。 3 在我国西 北地区， 由于煤阶普遍较低，热成因甲烷生成量有限， 次生物成因 气 生 成量巨大， 特别是在焉香和 伊犁地区， 煤层层数众多， 地下径流活跃， 煤层中 有大 量甲 烷菌繁殖， 有大量的二次生 物成因气生成、运移， 如遇到断层遮挡、煤层尖灭等圈闭条 件， 就有可能 形成较高的 饱和 度， 形成具有商 业价 值的煤 层气藏群。 参考文献 汇 1] 武汉地质学院编 . 1 981 . 煤田地质学 【 M〕.北京地质出版社，2一 3 〔 2 1纬德卑， 杨起编. 19 54. 中国 谋田 地质学 【 M 〕 北京煤 炭工业出 版社， 3 57 礴 ” 【 3 」张建博，王红 岩， 赵庆波编. 2 以 x l中国 煤层气 地质 〔 M 〕. 北京 地质出 版社， 1 5 30 【 4 」中国谋田地质总 局著. 1 9 99. 中国 煤层气资源 【 M ] 徐州中国 犷业大学出 版社， 26一 87 【 5 〕王红岩，刘洪 林， 赵庆波等编， 2 叨5 . 煤层气富 集规律. 北 京 石油工业出 版社， 肠一 57 【 6 〕钱凯， 赵庆波， 汪泽成等著. 1 995 . 煤层甲 烷勘探开发理论. 北京 石油工业出 版社， 48 52 【 7 」张彦平等. 1 996 . 国外雄 层甲 沈开发技术译丈集， 必京 石油工业出 版社， 20一 80 2 盯